In this paper, we study the problem of inferring time-varying Markov random fields (MRF), where the underlying graphical model is both sparse and changes sparsely over time. Most of the existing methods for the inference of time-varying MRFs rely on the regularized maximum likelihood estimation (MLE), that typically suffer from weak statistical guarantees and high computational time. Instead, we introduce a new class of constrained optimization problems for the inference of sparsely-changing MRFs. The proposed optimization problem is formulated based on the exact $\ell_0$ regularization, and can be solved in near-linear time and memory. Moreover, we show that the proposed estimator enjoys a provably small estimation error. As a special case, we derive sharp statistical guarantees for the inference of sparsely-changing Gaussian MRFs (GMRF) in the high-dimensional regime, showing that such problems can be learned with as few as one sample per time. Our proposed method is extremely efficient in practice: it can accurately estimate sparsely-changing graphical models with more than 500 million variables in less than one hour.


翻译:在本文中,我们研究的是计算时间变化的Markov随机字段(MRF)的问题,其基本图形模型是稀少的,随着时间的推移变化很少。现有的计算时间变化的MRF的现有方法大多依赖于常规化的最大可能性估计(MLE),这通常受到统计保障薄弱和高计算时间的制约。相反,我们为低变化的MRF的推断引入了一种新的限制优化问题类别。拟议的优化问题是根据精确的$_0的正规化制定的,并且可以在近线时间和记忆中解决。此外,我们表明,拟议的估计数字仪有一个小小的估算错误。作为一个特殊的例子,我们为高山MRFs(GRF)的微变小的推论提供了严格的统计保证,表明这些问题可以用很少的样本一次来学习。我们所提议的方法在实践上极为有效:它可以精确地估计零星变化的图形模型,在不到一个小时的时间内有500万个变量。

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